过共晶Al-Si合金扩散凝固及初生硅相形态控制研究

过共晶Al-Si合金具有良好尺寸稳定性、抗咬合能力及耐磨性等优良特性，在汽车上具有广阔的应用前景。如何获得初生硅相细小且分布均匀的过共晶Al-Si合金是问题的核心。过共晶Al-Si合金结晶温度范围宽、结晶潜热大、熔体凝固时间长，初生硅易长大、团聚和漂浮。本项目以新的半固态加工技术为手段，从以前对凝固过程的热扩散控制方式上向质量扩散凝固方式上转变，采用扩散凝固技术，深入研究高硅铝合金与近共晶成分铝合金混合过程中的溶质扩散、硅相形核、生长行为以及相应的热力学、动力学机制；建立熔体混合处理参数与凝固参数对过共晶Al-Si合金凝固组织影响的机制，为控制初生硅相形态、大小、分布提供新途径。从理论上建立起过共晶Al-Si合金混合状态与凝固组织之间的关系；从应用上得到控制硅相形态、大小、分布的新途径，改善性能，降低生产成本，为工业上实现制备过共晶Al-Si合金及控制初生硅相提供理论和实验依据。

过共晶铝硅合金具有热裂倾向小、密度小、热膨胀系数低、耐磨和耐蚀性好以及良好的铸造性能等优点，是制造汽车发动机活塞和汽缸的理想材料，但由于初生硅相易长大成粗大的板片状、长条状、五瓣星等不规则初生硅，严重影响了过共晶铝硅合金的力学性能及其加工性能。本项目采用了一种新的工艺方法----扩散凝固：将两种不同成分不同温度的母合金按照一定比例进行混合，最终凝固成同一成分目标合金。从理论计算和实验两方面入手，系统研究了：混合方式、混合温度、保温时间、热处理、母合金成分、冷却速度、复合变质处理、混合速率、导流器等条件下过共晶铝硅合金试样的组织和性能，如初生硅相的大小、形貌、分布和试样硬度、摩擦磨损性能、热膨胀性能，并对用扩散凝固技术制备的过共晶铝硅合金浆料进行汽车活塞挤压成形。还深入研究了熔体不同混合条件下的初生硅相的形核与生长动力学，以及扩散凝固法制备母合金混合后的热力学、动力学和扩散行为，探讨了目标合金中初生硅相的形成以及在高硅铝硅合金与共晶成分铝硅合金或纯铝混合时的动力学和界面扩散行为。建立熔体混合处理参数与凝固参数对过共晶铝硅合金凝固组织综合影响的机制及相关的数学模型，为控制初生硅相形态、大小、分布提供新途径，提出了一个扩散凝固过程中初生相形成及长大的“三个阶段“理论假设并进行验证。从理论上建立起过共晶铝硅合金混合状态与凝固组织之间的关系，完善了现有液态金属凝固理论。项目的研究达到了预期的研究目标。为过共晶铝硅合金采用扩散凝固法生产提供了可靠的理论依据。